【壓縮機(jī)網(wǎng)】電動(dòng)機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀

　　電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于拖動(dòng)風(fēng)機(jī)、泵、鼓風(fēng)機(jī)、空氣壓縮機(jī)、制冷機(jī)和各種機(jī)床等機(jī)械傳動(dòng)裝置及其他各類(lèi)電氣設(shè)備，是量大面廣的終端耗能大戶(hù)。電機(jī)系統(tǒng)包括電動(dòng)機(jī)、被拖動(dòng)裝置、傳動(dòng)控制系統(tǒng)及管網(wǎng)負(fù)荷。

　　改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)制造業(yè)有了長(zhǎng)足發(fā)展，近些年企業(yè)通過(guò)自主研發(fā)和消化吸收，電動(dòng)機(jī)、風(fēng)機(jī)、泵、壓縮機(jī)等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品性能、質(zhì)量有了顯著提高，對(duì)推動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的節(jié)能工作起了很大的促進(jìn)作用。

　　提高電機(jī)系統(tǒng)的能效，就是在滿(mǎn)足工藝要求的前提下，消耗z*少的能源。其能效提高的潛力在于電力變壓器、電機(jī)、拖動(dòng)設(shè)備的自身效率及匹配達(dá)到z*優(yōu)。

　　電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能潛力

　　電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能是當(dāng)今國(guó)際高度關(guān)注和重點(diǎn)研究的領(lǐng)域，也是我國(guó) “十三五”期間實(shí)施節(jié)能減排既定國(guó)策的重點(diǎn)關(guān)注領(lǐng)域。隨著q*能源消耗的逐年快速增長(zhǎng)，節(jié)能降耗、減排，減少溫室氣體排放已成為q*共同關(guān)注的重大問(wèn)題，中小型電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能潛力巨大，已經(jīng)成為世界各國(guó)政府和國(guó)際組織的共識(shí)。

　　我國(guó)中小型電機(jī)用電量約占總發(fā)電量的50%以上，其產(chǎn)量的增長(zhǎng)速度z*能反映國(guó)民經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)速度，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的重要產(chǎn)業(yè)。我國(guó)已經(jīng)成為世界上z*大的中小型電機(jī)生產(chǎn)、使用和出口大國(guó)。根據(jù)國(guó)際通用估算方法，電動(dòng)機(jī)裝機(jī)容量為發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量的2.5~3.5倍，據(jù)此推算，今后較長(zhǎng)一段時(shí)期，電動(dòng)機(jī)產(chǎn)量還將會(huì)持續(xù)快速擴(kuò)大。中小型電機(jī)產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)巨大，充分表明了中小型電機(jī)及系統(tǒng)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中有著不可替代的重要地位和作用。

　　但是長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)電機(jī)壽命平均比國(guó)外低3%~5%，運(yùn)行系統(tǒng)效率比國(guó)外低10%~20%。而在2013年中國(guó)電機(jī)保有量大約17億千瓦，總耗電量為3萬(wàn)億千瓦時(shí)，占全社會(huì)用電總量的64%、工業(yè)用電的75%。數(shù)據(jù)顯示，如果電機(jī)系統(tǒng)的效率提高5% ~8%，每年節(jié)約的電相當(dāng)于兩到三個(gè)三峽大壩的發(fā)電量。中國(guó)節(jié)能協(xié)會(huì)常務(wù)副理事長(zhǎng)王秦平用一組數(shù)據(jù)客觀(guān)的闡述了電機(jī)的耗電情況，以及提高電機(jī)能耗的重大意義。

　　因此，基于目前的市場(chǎng)現(xiàn)狀估算，全國(guó)電動(dòng)機(jī)效能每提高一個(gè)百分點(diǎn)，每年可以節(jié)約260多億千瓦電。

　　由于發(fā)達(dá)國(guó)家政府和國(guó)際組織的大力推動(dòng)，國(guó)際領(lǐng)先企業(yè)已投入了大量人力、物力、財(cái)力，在節(jié)能型中小型電機(jī)及系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)及產(chǎn)品的推廣應(yīng)用方面取得了突破性進(jìn)展。但與眾多國(guó)家比較，我國(guó)的電機(jī)系統(tǒng)尚存在很大的節(jié)能潛力和技術(shù)升級(jí)空間，長(zhǎng)期以來(lái)我國(guó)在電機(jī)產(chǎn)品高效化、匹配的精細(xì)化、專(zhuān)用化方面、在專(zhuān)用高效電機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)技術(shù)和研發(fā)手段、設(shè)施方面以及在電機(jī)控制等方面與發(fā)達(dá)國(guó)家有較大差距。主要表現(xiàn)在：

　　(1)電動(dòng)機(jī)及被拖動(dòng)設(shè)備效率低。電機(jī)產(chǎn)品效率比國(guó)外先進(jìn)水平低，雖然國(guó)產(chǎn)高效電機(jī)與國(guó)外先進(jìn)水平相當(dāng)，但價(jià)格高、市場(chǎng)占有率低；風(fēng)機(jī)、泵、壓縮機(jī)產(chǎn)品效率比國(guó)外先進(jìn)水平低2%～4%。

　　(2)系統(tǒng)運(yùn)行效率低。主要體現(xiàn)在系統(tǒng)匹配不合理，“大馬拉小車(chē)”現(xiàn)象嚴(yán)重，設(shè)備長(zhǎng)期低負(fù)荷運(yùn)行；系統(tǒng)調(diào)節(jié)方式落后，大部分壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)采用機(jī)械節(jié)流方式調(diào)節(jié)，效率比調(diào)速方式約低30%。

　　電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能解決方案

　　由于考慮起動(dòng)、過(guò)載、系統(tǒng)安全等原因，高效的電動(dòng)機(jī)經(jīng)常在低效狀態(tài)下運(yùn)行。在這些電機(jī)中，有相當(dāng)一部分通過(guò)采用變頻器對(duì)其進(jìn)行調(diào)速控制，有可能使電動(dòng)機(jī)重新回到高效的運(yùn)行狀態(tài)，這樣可節(jié)省大量的電能。

　　1、變頻調(diào)速原理

　　根據(jù)三相異步電動(dòng)機(jī)的原理，三相異步電動(dòng)機(jī)的軸轉(zhuǎn)速與供電電源的頻率之間有如下關(guān)系：

　　N=60F/P(1-S)      （1）
　　N——電機(jī)轉(zhuǎn)速
　　F——電源頻率
　　S——轉(zhuǎn)差率
　　P——電機(jī)極對(duì)數(shù)

　　考慮到轉(zhuǎn)差率S一般<<1，所以當(dāng)電機(jī)的極對(duì)數(shù)一定時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電機(jī)供電電源的頻率成正比關(guān)系，因此可以通過(guò)調(diào)整供電電源的頻率來(lái)控制三相異步電動(dòng)機(jī)的軸轉(zhuǎn)速。

　　2、負(fù)載類(lèi)型

　　在實(shí)際的生產(chǎn)機(jī)械中，電動(dòng)機(jī)的負(fù)載種類(lèi)千差萬(wàn)別，但我們可以將這些負(fù)載種類(lèi)歸結(jié)到平方轉(zhuǎn)矩、恒轉(zhuǎn)矩、恒功率和粘滯性負(fù)載等幾類(lèi)特性。而平方轉(zhuǎn)矩和恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性占了全部負(fù)載中的絕大多數(shù)，我們只討論這兩種負(fù)載。

　　3、平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載

　　平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載的特性為：電機(jī)的軸功率與電機(jī)轉(zhuǎn)速的3次方成正比關(guān)系，即

　　式中ne、Ne是額定轉(zhuǎn)速和額定軸功率

　　n、N是運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速和功率

　　4、恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載

　　恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的特性為負(fù)載的轉(zhuǎn)矩不隨轉(zhuǎn)速變化而變化，電機(jī)的軸功率與電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系，即

　　N=kn       (3)
　　式中
　　n——三相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速
　　N——三相異步電機(jī)運(yùn)行在N轉(zhuǎn)速的軸功率
　　K——傳動(dòng)系數(shù)，當(dāng)轉(zhuǎn)矩一定時(shí)，K為常數(shù)

　　5、變頻調(diào)速節(jié)能原理

　　由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩一定，所以軸功率和負(fù)載轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)速的變化不影響產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量時(shí)，應(yīng)盡可能的降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到節(jié)能的目的。

　　6、變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)適用范圍

　　許多行業(yè)如鋼鐵、有色、石油、石化、化工、紡織、機(jī)械、電力、建材、醫(yī)藥、煤炭、造紙、卷煙、酒店、自來(lái)水等行業(yè)都在許多設(shè)備中采用交流電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)，產(chǎn)生節(jié)電、提高產(chǎn)品質(zhì)量及增產(chǎn)的效果。

　　7、節(jié)能潛力

　　變頻器要節(jié)電是有一定條件的。在不影響使用的條件下，適當(dāng)改變工況參數(shù)后，把不合理運(yùn)行參數(shù)所消耗電能節(jié)省下來(lái)，就可做到從一般運(yùn)行轉(zhuǎn)變成經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。要節(jié)能一定要降低頻率，頻率下降值越大，節(jié)電越多；不降低頻率，變頻器原則上是不能節(jié)電的。

　　與電動(dòng)機(jī)負(fù)載率有關(guān)。負(fù)載率在10％～90％時(shí)，節(jié)電率z*多約8％～10％，負(fù)載率低相應(yīng)節(jié)電率高些。但無(wú)功節(jié)電率大約40％ ～50％，是不計(jì)電費(fèi)的。

　　與原來(lái)的運(yùn)行的工況參數(shù)值的合理程度有關(guān)。例如，與壓力、流量、轉(zhuǎn)速等可調(diào)節(jié)的量值大小有關(guān)，可調(diào)整量大，則節(jié)電率就高，否則相反。

　　與原來(lái)采用的調(diào)速方式有關(guān)。例如，原來(lái)用滑差電動(dòng)機(jī)調(diào)速，因調(diào)速效率低，尤其在中、低速時(shí)，效率只有50％以下，很不經(jīng)濟(jì)，改為變頻器調(diào)速后，把這部分電能節(jié)省下來(lái)了。目前輕工、紡織、造紙、印染、塑料、橡膠等行業(yè)中，大多還在使用滑差電動(dòng)機(jī)，故使用變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能，技術(shù)改造工作是當(dāng)務(wù)之急的事。

　　與電動(dòng)機(jī)工作方式有關(guān)。例如，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)、短時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)、間歇運(yùn)轉(zhuǎn)的節(jié)電量是不同的。

　　與電動(dòng)機(jī)開(kāi)動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān)。例如，一天開(kāi)機(jī)24h，一年開(kāi)365天的節(jié)電量就大，反之則小。與電動(dòng)機(jī)本身功率大小有關(guān)。同樣節(jié)電率下，功率大的節(jié)電量值大，經(jīng)濟(jì)效益就大，哪怕節(jié)電率相對(duì)小功率電動(dòng)機(jī)低些，但實(shí)際收益較大。 

　　與本單位生產(chǎn)工藝設(shè)備重要性有關(guān)。s*先要選產(chǎn)品電耗大的、產(chǎn)品成本高的、現(xiàn)用的調(diào)速方式是不夠經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)備加以改造，改用變頻器后就能有立竿見(jiàn)影、事半功倍的效果。

　　在選用變頻器調(diào)速或節(jié)能時(shí)，應(yīng)該遵守以上原則，作為決定方案的前提。當(dāng)?shù)仉娰M(fèi)價(jià)格高的，在同樣節(jié)電量時(shí)，經(jīng)濟(jì)收益就更大，這也是必然要考慮的事。

　　壓縮機(jī)電機(jī)節(jié)能現(xiàn)狀

　　壓縮機(jī)作為應(yīng)用于多領(lǐng)域的產(chǎn)品之一，走上節(jié)能環(huán)保之路也是勢(shì)在必行。但在國(guó)內(nèi)許多使用壓縮機(jī)的企業(yè)對(duì)壓縮機(jī)的節(jié)能概念并不是很重視，他們認(rèn)為壓縮機(jī)性能穩(wěn)定可靠就行，節(jié)能是次要的。

　　其實(shí)并非如此，壓縮機(jī)是用電大戶(hù)，空壓系統(tǒng)電能消耗占工業(yè)能耗的8~10%左右，是電動(dòng)系統(tǒng)四大耗能設(shè)備之一。全國(guó)空壓機(jī)耗電量約為2260億kW·h/a，其中有效能耗只占66%，其余34%的能量（約768.4億k·Wh/a）被白白浪費(fèi)掉，空壓系統(tǒng)的節(jié)能亟待高效開(kāi)展。大量的數(shù)據(jù)表明，壓縮空氣系統(tǒng)的主要費(fèi)用都耗費(fèi)在運(yùn)行環(huán)節(jié)上，在其生命周期中，運(yùn)行費(fèi)用（電費(fèi)）占據(jù)的比例高達(dá)78~92%。

　　例如一臺(tái)容積流量為2m3/min，壓力為8kg的風(fēng)冷空氣壓縮機(jī)，大約每小時(shí)耗電量為150度，一天運(yùn)行20h計(jì)算，每天耗電量為3000度，一年以運(yùn)行300天計(jì)算，每年耗電量為900000度，以工業(yè)用電1元/度計(jì)算，每年的電費(fèi)就高達(dá)90萬(wàn)。整個(gè)壽命周期僅以5年計(jì)算，則一臺(tái)20m3/min壓縮機(jī)的電費(fèi)成本將高達(dá)450萬(wàn)，加上5年的維修保養(yǎng)費(fèi)就500多萬(wàn)，而購(gòu)買(mǎi)成本在10-20萬(wàn)之間，購(gòu)買(mǎi)成本占據(jù)的比例僅為2%-5%。根據(jù)GB19153-2009標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定此型號(hào)的空氣壓縮機(jī)1、2、3級(jí)能效機(jī)組輸入比功率值分6.3、7.1、8.1，2級(jí)、3級(jí)能效占1級(jí)能效的比例約為113%、129%，3級(jí)能效占2級(jí)能效的比例約為114%。這說(shuō)明每提高一級(jí)能效將節(jié)約用電量超10%，提高二級(jí)將節(jié)約用電量近30%，從這些數(shù)據(jù)可以看出壓縮機(jī)節(jié)能意義非常重大。

　　節(jié)能案例

　　某化纖有限公司現(xiàn)有英格索蘭空壓機(jī)4臺(tái)，排氣壓力0.85MPa，其中3臺(tái)MM160-8.5，容積流量為26m3/min，壓縮電機(jī)額定功率160kW；1臺(tái)MM75-8.5，容積流量為12.1m3/min，壓縮電機(jī)額定功率75kW。

　　(1)系統(tǒng)狀況

　　該公司4臺(tái)空壓機(jī)大多數(shù)時(shí)間采用一大一小方式運(yùn)行，總供氣量為38.1m3/min，其中75kW空壓機(jī)設(shè)定加卸載壓力為0.66MPa和0.76MPa，160kW空壓機(jī)設(shè)定加卸載壓力為0.68MPa和0.78MPa。實(shí)際工作中75kW 的MM75空壓機(jī)約只有60%的加載率，160kW的MM160空壓機(jī)基本一直處于加載狀態(tài)。

　　經(jīng)過(guò)測(cè)試，75kW空壓機(jī)卸載時(shí)z*小輸入功率30kW左右，加載時(shí)z*高輸入功率85kW，160kW的空壓機(jī)一直處于加載狀態(tài)，運(yùn)行比較平穩(wěn)，輸入功率一直保持為165kW左右。

　　工廠(chǎng)工藝要求空壓機(jī)運(yùn)行壓力不低于0.6MPa，需求量大時(shí)兩臺(tái)160kW工作。

　　2)節(jié)能原理

　　該公司的空壓機(jī)耗電量占全廠(chǎng)總耗電量16%左右，空壓機(jī)系統(tǒng)年總用電量為180萬(wàn)kWh左右，因此對(duì)空壓機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造意義十分重大。

　　由于生產(chǎn)工藝所需的壓縮空氣不斷變化和生產(chǎn)安排的調(diào)整，導(dǎo)致車(chē)間對(duì)壓縮空氣的需求量也在不斷變化，為了適應(yīng)這種變化，空壓機(jī)系統(tǒng)一般采用加卸載的方式運(yùn)行。壓縮空氣的需求量減少使空壓機(jī)排氣壓力達(dá)到卸載壓力時(shí)，空壓機(jī)開(kāi)始卸載。空壓機(jī)卸載時(shí)進(jìn)氣口關(guān)閉，電機(jī)空轉(zhuǎn)不產(chǎn)生壓縮空氣，但是其耗電功率基本占到額定功率的30%左右，甚至更多，從而導(dǎo)致空壓機(jī)系統(tǒng)在部分負(fù)荷時(shí)效率較低。

　　依據(jù)螺桿式空壓機(jī)的排氣量和轉(zhuǎn)速、耗電功率基本上成正比例的關(guān)系，通過(guò)采用變頻器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行恒壓控制，可根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際用氣需求調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，使空壓機(jī)排氣量和實(shí)際需求量達(dá)到基本平衡，系統(tǒng)壓力波動(dòng)控制在較小的范圍內(nèi)，從而節(jié)約空壓機(jī)采用傳統(tǒng)加卸載運(yùn)行方式時(shí)不必要的能耗：降低傳統(tǒng)控制方式中加載時(shí)較高壓力導(dǎo)致的高電耗，避免卸載時(shí)空壓機(jī)電機(jī)空轉(zhuǎn)做無(wú)用功。

　　3)節(jié)能改造

　　根據(jù)該公司壓縮空氣系統(tǒng)的使用情況，配置某品牌VC-K型智能節(jié)電裝置，用于空壓機(jī)系統(tǒng)的控制。該智能節(jié)電裝置自動(dòng)采集現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)氣罐的壓力，根據(jù)壓縮空氣的實(shí)際需求量，按循環(huán)啟動(dòng)的方式閉環(huán)控制4臺(tái)空壓機(jī)的運(yùn)行，在滿(mǎn)足系統(tǒng)正常安全和穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，大幅降低系統(tǒng)運(yùn)行能耗。

　　當(dāng)系統(tǒng)中一臺(tái)75kW（產(chǎn)氣量12.1m3 /min）空壓機(jī)以60%加載率運(yùn)行，一臺(tái)160kW（產(chǎn)氣量26m3/min）空壓機(jī)無(wú)卸載運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)實(shí)際每小時(shí)耗能約為236.5kWh，當(dāng)75kW空壓機(jī)改用變頻恒壓運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)每小時(shí)耗能為226kWh，每小時(shí)節(jié)能10.5kWh。

　　按空壓機(jī)每年運(yùn)行8000小時(shí)計(jì)算，年節(jié)能量為8.4萬(wàn)kWh，每度電按0.8元計(jì)算，年可節(jié)約電費(fèi)6.72萬(wàn)元。

　　小結(jié)

　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，空氣壓縮機(jī)作為一種重要的動(dòng)力輸出，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、冶煉、鋼鐵、建材、半導(dǎo)體、熱電、醫(yī)藥、化工、食品、紡織、醫(yī)藥等眾多工業(yè)領(lǐng)域。然而，空壓機(jī)屬于高能耗設(shè)備，在某些行業(yè)耗電占到了生產(chǎn)耗電的60%以上，故俗稱(chēng)“電老虎”。節(jié)能是一項(xiàng)長(zhǎng)期的戰(zhàn)略任務(wù)和基本國(guó)策，也是實(shí)施十三五規(guī)劃的緊迫任務(wù)。